水荷載作用下渡槽結構性態數值模擬分析

溫斯鈞，郭亞偉，朱莎莎，曹克磊

(1.華北水利水電大學，河南 鄭州 450045；2.江蘇省灌溉總渠管理處，江蘇 淮安 223200)

0 引言

渡槽結構是水利工程建設中常見的一種輸水建筑物，其在跨越山川、河流、峽谷等方面起著重要作用，對跨流域調水具有顯著意義。渡槽在運行期間易受水流、溫度、風等荷載作用，不同荷載作用下對渡槽結構的結構性態會產生不同程度的影響，極端情況下可能會對渡槽結構的運行安全產生影響。為了更好的了解運行過程中輸水量對構性態的影響，本研究采用ANSYS大型有限元數值仿真軟件，建立渡槽結構三維有限元模型，開展水荷載作用下渡槽結構的結構性態分析，研究結果可為渡槽結構的運行管理提供參考。

1 有限元仿真原理

有限元仿真原理是將結構進行離散化，對離散化后的單元賦予屬性，并依據離散單元之間的關聯性構建出平衡方程，求解出節點位移和應力。

2 工程概況及有限元建模

甘肅景泰川電力提灌二期工程中渡槽均為薄壁U型鋼筋混凝土結構，單跨渡槽的槽身長為12 m，設計水位為2.66 m。渡槽槽體采用C40混凝土，C30混凝土用于排架，基礎則采用C25混凝土。該工程所在區域的晝夜溫差較大，最高氣溫為37℃，最低溫度為-14℃。渡槽槽身斷面如圖1所示。

圖1 渡槽槽身結構斷面圖

以景泰工程(甘肅景泰川電力提灌二期工程)渡槽為研究對象，采用ANSYS有限元軟件建立渡槽三維有限元模型，如圖2所示。其中考慮水荷載作用的渡槽模型則采用Solid45單元模擬，而考慮溫度荷載作用的渡槽模型則采用Solid70單元模擬，可實現溫度場到結構場的轉變。為了更好的實現模擬計算中力的傳遞，避免應力集中現象，網格劃分均采用規則的六面體單元。

圖2 渡槽結構性態分析有限元模型圖

3 水荷載作用下渡槽結構性態分析

開展無水、設計水位和滿槽水位三種工況下渡槽結構的性態特征律研究，分析不同工況下渡槽結構的位移和應力變化規律，為渡槽結構的運行管理提供參考。無水工況、設計水位工況和滿槽水位工況的數值模擬結果如圖3～5所示。

圖3 無水位移分布云圖

圖4 設計水位工況位移分布云圖

圖5 滿槽工況位移分布云圖

無水、設計水位、滿槽水位工況下渡槽結構的位移變化規律如圖3～5所示。不同工況下渡槽結構位移分布云圖的規律相似，其中X向最大位移值出現在槽體端部拉桿處，Y向最大位移值體現在槽體側壁中部區域，Z向最大位移值值集中顯現在槽端臨近支座處及槽體中部拉桿區域。不同工況下，隨著水位的升高X向位移呈逐漸減小的趨勢，反之，槽端處Y向和Z向的位移值則呈逐漸遞增的趨勢。由圖3和圖4可以看出，設計水位工況的位移值明顯大于工況，說明水荷載作用會對結構性態產生影響，也間接說明水荷載施加的有效性。設計水位工況下X和Y向的位移值均較無水工況提高一個數量級，其中設計水位工況的豎向最大位移值為4.36 mm，比無水工況小1.92 mm；與設計水位工況相比，滿槽水位工況的位移值均大于滿槽水位，其中Z向位移增加最為顯著，最大增幅為0.69 mm，其他兩個方向均次之，X向的位移變幅最小。綜上可知，水荷載對渡槽結構的位移影響較為顯著，在實際工程運行管理中應重視大流量調水工況下的安全監測。

無水、設計水位、滿槽水位工況下渡槽結構的應力變化規律如圖6～8所示。不同工況下渡槽結構位移分布云圖的規律相似，其中無水工況和設計水位工況下渡槽結構在槽端和槽體與支座接觸區域出現局部微小的拉應力集中現象，無水工況的拉應力最大值為2.03 MPa，較設計水位工況拉應力增加約1 MPa，實際工程運行中可通過局部加固的方式來改善應力集中現象；相比于無水工況和設計水位工況，滿槽工況下渡槽結構的拉應力最大值主要體現在拉桿區域，最大拉應力值達到了2.13 MPa，不利于工程的運行安全，應采取相應的加固措施，以保證渡槽結構在滿槽水位工況下的正常運行。無水、設計水位、滿槽水位工況下槽體結構的拉應力值分別為0.68 MPa、1.33 MPa、1.38 MPa，且壓應力的分布規律基本一致。無水、設計水位、滿槽水位工況下槽體結構的壓應力值分別為2.56 MPa、5.7 MPa、6.27 MPa，說明水荷載對渡槽結構壓應力的影響十分顯著，且壓應力值隨水位升高而增加。

圖6 無水工況應力分布云圖

圖7 設計水位工況應力分布云圖

圖8 滿槽工況應力分布云圖

4 總結

水荷載作用下會對渡槽結構的位移和應力產生顯著影響，設計水位工況的豎向最大位移值為4.36 mm，比滿槽水位工況的位移值小0.69 mm。滿槽工況下渡槽結構的拉應力最大值主要體現在拉桿區域，最大拉應力值達到了2.13 MPa，不利于工程的運行安全，應采取相應的加固措施，以保證渡槽結構在滿槽水位工況下的正常運行。無水、設計水位、滿槽水位工況下槽體結構的壓應力值分別為2.56 MPa、5.70 MPa、6.27 MPa，說明水荷載對渡槽結構壓應力的影響十分顯著，且壓應力值隨水位升高而增加。該研究結果可為渡槽結構的運行管理提供參考。